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智能伺服技術在多軸伺服枕式包裝機上的應用
摘要：本文介紹了一種將我國自主知識產(chǎn)權的 iDrive智能伺服技術應用在多軸伺服枕式包裝機上的新型多軸伺服枕式包裝機控制方案。該方案基于iDrive 智能伺服驅動產(chǎn)品，它是一款集成了伺服驅動器、運動控制器以及PLC的總線型智能伺服驅動控制器。將其應用在多軸枕式包裝控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)了內(nèi)置電子凸輪、內(nèi)置多軸同步飛剪、多軸跟隨、高速色標補償?shù)裙δ�，較傳統(tǒng)的PLC+伺服驅動器方案具有結構簡單、成本低、系統(tǒng)響應快、可靠性高、故障點少、系統(tǒng)適應性強、擴展靈活，可廣泛適用于單雙軸/三軸/四軸/多軸伺服控制枕式包裝機，具有廣闊的發(fā)展前景。
關鍵字：智能伺服枕式包裝 雙軸 三軸 多軸 同步 色標補償 電子凸輪
1. 概述
枕式包裝機是應用廣泛的一種包裝機械，大量應用于食品包裝機械、藥品包裝機械、日用品包裝機械等眾多領域。我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降拇蠖鄶?shù)的食品均是由枕式包裝機封裝而成。隨著機械制造業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，為枕式包裝機行業(yè)帶來了良好的發(fā)展機遇，同時對枕式包裝機的品質(zhì)和生產(chǎn)效率也提出了更高的要求。
智能伺服技術是近年來新興的一種機電一體化技術。它是在傳統(tǒng)伺服驅動技術的基礎上，融合了運動控制技術、DSP技術、PLC技術、現(xiàn)場總線技術等多種現(xiàn)代控制技術而形成。智能伺服產(chǎn)品具有智能化、網(wǎng)絡化、模塊化、數(shù)字化等特征，是未來伺服技術發(fā)展的方向。
傳統(tǒng)的三軸枕式包裝機的臥式三面封口加工工藝要求送料軸、送膜軸以及橫封（橫切）軸之間以凸輪關系運動，在封切過程需要送膜軸與橫封軸（橫切軸）保持嚴格同步，傳統(tǒng)技術采用機械凸輪實現(xiàn)，機械加工、安裝復雜，運行噪音大，對包裝物的適應性能力差，包裝速度也相應受到限制。
隨著行業(yè)競爭的日益激烈，以及我國人工成本的逐年上升，枕式包裝機械廠商要求采用更新的技術來提高設備的自動化水平、提高生產(chǎn)效率、降低設備成本，達到提高枕式包裝機產(chǎn)品市場競爭力的目的。
本文介紹的 iPack2000多軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)基于我國自主研發(fā)的iDrive 智能伺服，以一體化高集成度的智能伺服解決方案，替代傳統(tǒng)的PLC+伺服驅動器的方案。iDrive 智能伺服控制器內(nèi)建電子凸輪和色標抓取和補償功能，兼容熱切和冷切工藝，通過伺服驅動系統(tǒng)底層實現(xiàn)雙軸同步，系統(tǒng)響應快，同步精度高，電控設備成本較傳統(tǒng)脈沖伺服方案降低40%。驅動器可以和HMI實現(xiàn)直連通訊，大大增強了控制系統(tǒng)的簡潔性，減少了設備調(diào)試所需的時間。
2. 基于脈沖的傳統(tǒng)系統(tǒng)和智能伺服系統(tǒng)的比較
圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)的PLC+伺服驅動系統(tǒng)方案以及采用智能伺服控制器的iPack2000系統(tǒng)方案結構對比。 
從圖1和圖2的對比可以看出，智能伺服的控制方案采用了內(nèi)置控制器替代PLC，在一個雙軸iDrive智能驅動器內(nèi)部實現(xiàn)兩軸（切刀軸和送膜軸）的同步以及電子凸輪關系，色標補償也在同一智能伺服控制器內(nèi)部完成，系統(tǒng)響應大大提高，系統(tǒng)結構簡化，成本也顯著降低。同時，由于采用了總線型的結構，采用智能伺服的系統(tǒng)方案更加靈活，可以非常容易地變化為雙軸系統(tǒng)或者四軸乃至多軸系統(tǒng)。
3. 內(nèi)置電子凸輪的智能伺服系統(tǒng)的枕式包裝解決方案
下面以圖2所示的三軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)為例對系統(tǒng)各部分進行說明，該枕式包裝機橫向封切方式為熱封冷切，即先進行熱封，再進行橫切。系統(tǒng)也能方便地通過設置，兼容常見的熱封熱切工藝。設備運行過程中，橫封橫切刀的運行速度保持勻速（以下簡稱主動軸），送膜軸（以下簡稱從動軸）的速度以凸輪關系運行，并引入色標補償。凸輪的功能是并保證在橫封和橫切時，送膜軸的運動和橫封刀以及橫切刀的在切割點的運動保持嚴格同步。送料軸以送膜軸的實際運動速度和位置，與之保持嚴格同步。切刀近點傳感器信號的引入是應某枕式包裝機制造商的要求而設置的，目的是為了防止色標信號的誤檢測。此功能也可以不用引入傳感器信號，而在系統(tǒng)內(nèi)部以軟件的方式實現(xiàn)。
3.1 工藝流程
包裝物經(jīng)過送料機構被送進包裝膜內(nèi)，先完成縱封作業(yè)；之后裝物在縱封后的包裝膜內(nèi)繼續(xù)前進，進入橫封橫切工藝，完成進行橫封和橫切，最終成為成品。
3.2系統(tǒng)框圖
如圖3所示系統(tǒng)共有三個伺服軸，由一臺雙軸iDrive智能伺服和一臺單軸智能伺服以RS485總線方式實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，由雙軸iDrive作為主控制器。雙軸iDrive內(nèi)置的兩個伺服驅動模塊分別用于控制橫封（橫切）刀軸和送膜軸，單軸iDrive控制送料軸。其中從動軸（即送膜軸）以設定的電子凸輪跟隨主動軸（橫封橫切軸）運動，保證橫封橫切的嚴格同步，同時從動軸根據(jù)由色標信號檢測得到的位置補償信號對從動軸進行位置補償，送料軸則根據(jù)從動軸的實際位置與之保持完全同步跟隨運動。I/O信號中的切刀信號和色標信號直接連接到雙軸iDrive的I/O接口中。Jog運動模式的控制信號也接入雙軸iDrive的I/O口，包括用于調(diào)試的從動軸的向前運動和向后運動兩個運動方式控制開關。圖4顯示了伺服系統(tǒng)的接口以及主動軸和從動軸的分配。
3.3 系統(tǒng)設定以及電子凸輪
1） 圖5、圖6和圖7顯示了本系統(tǒng)的調(diào)試界面，此調(diào)試界面主要提供給機器制造商使用，參數(shù)的調(diào)試可以在PC上實現(xiàn)，也可以在通用的HMI上完成，也可以根據(jù)客戶的具體要求來進行軟件定制。
圖6和圖7顯示了iPack2000電子凸輪的計算，圖6顯示的是主動軸位置和從動軸位置值的對比曲線，其中橫坐標是主動軸位置值，縱坐標是從動軸的位置值。圖7顯示的是在一個包裝區(qū)間內(nèi)從動軸的速度曲線，從中可以看出有兩個速度同步區(qū)，分別是橫封同步區(qū)和橫切同步區(qū)。對于常見的熱封熱切工藝，則只需要設置一個同步區(qū)即可。
3.4 色標補償量的計算
* 補償量計算
補償量的計算主要依靠色標信號和切刀近點信號，如圖8所示。補償測量值為 L=L1+L2/2，即補償測量值為切刀近點信號到色標信號之間的電機編碼器脈沖數(shù)加上色標寬度的一半。
取得補償測量值以后，系統(tǒng)再進行凈補償值的計算，其方法是：
凈補償值=補償標準值-補償測量值；
*補償區(qū)域
得到凈補償值以后就需要對從動軸的運動速度進行補償，為了保證橫封橫切時包裝物輸送速度的平穩(wěn)性，需要避開主動軸和從動軸的同步區(qū)域進行補償工作。補償區(qū)域的設置如圖9所示
3.5 采用切刀近點信號或軟件方法避免誤色標信號誤檢測
從上面的系統(tǒng)工作流程中可以看出，系統(tǒng)將不斷檢測色標，并根據(jù)檢測到的誤差，對送膜軸的運行進行補償，確保橫封橫切的位置準確。但包裝膜上也有可能存在污染或其他印刷圖案，容易引起色標檢測的誤檢測。為解決此問題，在系統(tǒng)中引入切刀近點信號，以此信號作為色標檢測的起始信號，在此范圍以外的區(qū)域將不進行色標信號的檢測，如圖10所示。
需要說明的是，這種通過對色標信號的屏蔽來限定色標檢測區(qū)域的功能也可以通過純軟件的方式來實現(xiàn)，使得系統(tǒng)更加簡潔。即以切刀傳感器信號為基準（不是切刀近點信號），設定發(fā)生切刀動作后一定長度才啟動色標信號的檢測，從而達到屏蔽色標檢測干擾的效果。具體的設定位置長度可根據(jù)包裝物的長度以及設備的相關尺寸來計算，并通過設定相關參數(shù)完成。
4. 結束語
利用iPack2000組建多軸枕式包裝控制系統(tǒng)，有如下的優(yōu)勢：
（1）系統(tǒng)簡單、結構緊湊。
由于iPack2000內(nèi)建了電子凸輪和車標抓取和補償功能，而且智能驅動器可以直接和HMI連接，使得系統(tǒng)的組建顯得更為簡潔和方便。
（2 顯著價格優(yōu)勢和性能優(yōu)勢
由于電子凸輪、同步、跟隨功能內(nèi)置于iDrive內(nèi)部，系統(tǒng)的凸輪功能無需通過上位PLC來進行，直接在驅動器級就實現(xiàn)了同步和跟隨的功能，系統(tǒng)的響應速度和控制精度都有了顯著的提升。而原先的PLC可以直接省略或選擇功能更小的PLC，從而達到了節(jié)省投資的目的。
基于我國自主知識產(chǎn)權智能伺服技術的多軸伺服枕式包裝機控制系統(tǒng)iPack2000采用總線型控制架構，內(nèi)置運動控制器，內(nèi)建電子凸輪、多軸同步飛剪、多軸跟隨，高速色標實時補償，內(nèi)置PLC完成I/O功能，全部運動控制均在伺服驅動器級別完成，系統(tǒng)響應快，結構簡單，擴展性強，可廣泛應用于各種多軸枕式包裝機，造價低廉，比進口產(chǎn)品節(jié)省成本超過50%，將逐步成為枕式包裝行業(yè)控制系統(tǒng)的主流方案。
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